JP3060657B2 - 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 - Google Patents
耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法Info
- Publication number
- JP3060657B2 JP3060657B2 JP3290531A JP29053191A JP3060657B2 JP 3060657 B2 JP3060657 B2 JP 3060657B2 JP 3290531 A JP3290531 A JP 3290531A JP 29053191 A JP29053191 A JP 29053191A JP 3060657 B2 JP3060657 B2 JP 3060657B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal material
- tib
- modified layer
- thin film
- wear resistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、鋼やＴｉ等の金属材料
表面にＢ+ イオンを注入して表面改質層を形成する方法
に関し、特にＢ+ イオン注入による表面改質層を従来の
イオン注入層の３倍程度厚くすることによって、表面改
質層の耐摩耗性を飛躍的に向上させる技術に関するもの
である。
表面にＢ+ イオンを注入して表面改質層を形成する方法
に関し、特にＢ+ イオン注入による表面改質層を従来の
イオン注入層の３倍程度厚くすることによって、表面改
質層の耐摩耗性を飛躍的に向上させる技術に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】金属材料等の表面へのイオン注入処理
は、室温プロセスにより表面改質層を形成できる材料表
面改質法として注目されており、特に耐摩耗性の向上を
目的として種々の研究が行なわれている。しかしこれま
で数々の研究報告がなされているが、実用製品への応用
例は非常に少ない。これはイオン注入による改質層が他
の表面改質技術と競合できる特性を持ち合わせていない
からであり、その最大の原因は改質層の浅さにある。例
えば鋼基板にエネルギー４０KeVでＢ+ イオン注入を行
なった場合、イオン注入層の深さは 0.1μｍ以下程度し
かなく、このためイオン注入を行っても表面改質層の耐
摩耗性の持続性が実用材としては不十分である。
は、室温プロセスにより表面改質層を形成できる材料表
面改質法として注目されており、特に耐摩耗性の向上を
目的として種々の研究が行なわれている。しかしこれま
で数々の研究報告がなされているが、実用製品への応用
例は非常に少ない。これはイオン注入による改質層が他
の表面改質技術と競合できる特性を持ち合わせていない
からであり、その最大の原因は改質層の浅さにある。例
えば鋼基板にエネルギー４０KeVでＢ+ イオン注入を行
なった場合、イオン注入層の深さは 0.1μｍ以下程度し
かなく、このためイオン注入を行っても表面改質層の耐
摩耗性の持続性が実用材としては不十分である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】イオン注入処理は金属
材料表面に強制的に元素を添加する技術であるが、その
添加量には限界がある。イオン注入処理を長時間行なっ
て金属材料内の添加元素の組成が飽和に達すると、注入
Ｂが基板内に拡散していき注入層の厚さは 0.6μｍ程度
にまでは達する。しかしながら更に注入を続けても、金
属材料内に入りきれない過剰のイオンが金属材料表面に
逆戻りし、注入イオン元素のみの堆積層を表面に形成し
てしまい、金属材料内に形成されたイオン注入層の厚さ
は 0.6μｍ程度以上にはならない。また表面に堆積した
Ｂ薄膜は密着性が悪く、この膜による耐摩耗性改善はほ
とんど望めない。
材料表面に強制的に元素を添加する技術であるが、その
添加量には限界がある。イオン注入処理を長時間行なっ
て金属材料内の添加元素の組成が飽和に達すると、注入
Ｂが基板内に拡散していき注入層の厚さは 0.6μｍ程度
にまでは達する。しかしながら更に注入を続けても、金
属材料内に入りきれない過剰のイオンが金属材料表面に
逆戻りし、注入イオン元素のみの堆積層を表面に形成し
てしまい、金属材料内に形成されたイオン注入層の厚さ
は 0.6μｍ程度以上にはならない。また表面に堆積した
Ｂ薄膜は密着性が悪く、この膜による耐摩耗性改善はほ
とんど望めない。
【０００４】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であって、Ｂ+イオン注入による表面改質層を厚く形成
することによって、金属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上
させる表面改質層の形成方法を提供しようとするもので
ある。
であって、Ｂ+イオン注入による表面改質層を厚く形成
することによって、金属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上
させる表面改質層の形成方法を提供しようとするもので
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成した本発
明とは、イオン注入処理を施すことによって金属材料表
面に耐摩耗性の優れた表面改質層を形成する方法であっ
て、前記金属材料表面にスパッタ法によりＴｉＢ2 薄膜
を予め形成しておき、その後Ｂ+ イオン注入を行うこと
によって、前記ＴｉＢ2 薄膜における前記金属材料への
Ｂ放出効果を利用してＴｉＢ2 薄膜中のＢを金属材料表
面へ拡散浸透させる様にした点に要旨を有するものであ
る。
明とは、イオン注入処理を施すことによって金属材料表
面に耐摩耗性の優れた表面改質層を形成する方法であっ
て、前記金属材料表面にスパッタ法によりＴｉＢ2 薄膜
を予め形成しておき、その後Ｂ+ イオン注入を行うこと
によって、前記ＴｉＢ2 薄膜における前記金属材料への
Ｂ放出効果を利用してＴｉＢ2 薄膜中のＢを金属材料表
面へ拡散浸透させる様にした点に要旨を有するものであ
る。
【０００６】
【作用】上述した様に、鋼やＴｉ等の金属材料表面にＢ
+ イオン注入を行なうと、金属材料内部のＢ組成が飽和
し、過剰の注入Ｂ+ イオンが金属材料表面に逆流し、金
属材料外に堆積してしまう。そのため金属材料表面のイ
オン注入層は0.6 μｍ以上の厚さにすることができな
い。
+ イオン注入を行なうと、金属材料内部のＢ組成が飽和
し、過剰の注入Ｂ+ イオンが金属材料表面に逆流し、金
属材料外に堆積してしまう。そのため金属材料表面のイ
オン注入層は0.6 μｍ以上の厚さにすることができな
い。
【０００７】これに対し本発明では、金属材料表面にス
パッタ法によってＴｉＢ2 薄膜を予め形成しておき、そ
の後Ｂ+ イオン注入を行なう様にしている。このＴｉＢ
2 薄膜は、その後イオン注入されてきたＢ+ イオンを一
時的に蓄えることができるが、ＴｉＢ2 薄膜は高温にお
いて異種金属等が接触していると、Ｂを放出してＴｉＢ
に変化し、接触金属を硼化していく性質がある。こうし
た性質によって、ＴｉＢ2 薄膜は金属材料中へのＢの拡
散源として働くことになる。このような状況のもとでＢ
+ イオン注入を連続して行なうと、Ｂを金属材料内へ放
出した後のＴｉＢ薄膜にＢ+ イオンが注入されて再びＴ
ｉＢ2 薄膜が形成され、このＴｉＢ2 薄膜は再び金属材
料中へＢを放出し始める。このようなプロセスを繰り返
すことによって、金属材料内部に効率良くＢが拡散浸透
していく。この様にして本発明の方法によれば、イオン
注入層の厚さを通常の厚さの３倍以上にあたる２〜３μ
ｍ程度まで形成できる。またＴｉＢ2 膜と金属材料との
拡散係数の差により、金属材料内部に供給された注入Ｂ
+ イオン原子はＴｉＢ2 薄膜にブロックされて逆戻りす
ることができない。尚金属材料表面に形成するＴｉＢ2
薄膜の厚さは２００〜５００nm程度が適切であり、薄す
ぎても厚過ぎてもＢの金属材料への放出は起こらない。
パッタ法によってＴｉＢ2 薄膜を予め形成しておき、そ
の後Ｂ+ イオン注入を行なう様にしている。このＴｉＢ
2 薄膜は、その後イオン注入されてきたＢ+ イオンを一
時的に蓄えることができるが、ＴｉＢ2 薄膜は高温にお
いて異種金属等が接触していると、Ｂを放出してＴｉＢ
に変化し、接触金属を硼化していく性質がある。こうし
た性質によって、ＴｉＢ2 薄膜は金属材料中へのＢの拡
散源として働くことになる。このような状況のもとでＢ
+ イオン注入を連続して行なうと、Ｂを金属材料内へ放
出した後のＴｉＢ薄膜にＢ+ イオンが注入されて再びＴ
ｉＢ2 薄膜が形成され、このＴｉＢ2 薄膜は再び金属材
料中へＢを放出し始める。このようなプロセスを繰り返
すことによって、金属材料内部に効率良くＢが拡散浸透
していく。この様にして本発明の方法によれば、イオン
注入層の厚さを通常の厚さの３倍以上にあたる２〜３μ
ｍ程度まで形成できる。またＴｉＢ2 膜と金属材料との
拡散係数の差により、金属材料内部に供給された注入Ｂ
+ イオン原子はＴｉＢ2 薄膜にブロックされて逆戻りす
ることができない。尚金属材料表面に形成するＴｉＢ2
薄膜の厚さは２００〜５００nm程度が適切であり、薄す
ぎても厚過ぎてもＢの金属材料への放出は起こらない。
【０００８】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後期の主旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後期の主旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【０００９】
【実施例】炭素鋼（ＳＳ４００）を鏡面研磨したものを
基板とし、以下の２つの条件で表面処理を行なった。 (1) 表面処理１［従来技術］ Ｂ+ イオン注入処理 エネルギー：４０KeV イオンビーム電流密度：0.8A/m2 注入量：５×１０22ions/m2 (2) 表面処理２［本発明技術］ ＴｉＢ2 ターゲットを用いたＡｒスパッタによって、基
板表面にＴｉＢ2薄膜を形成した後、Ｂ+ イオン注入処
理 Ｂ+ イオン注入条件は上記表面処理１と同様 ＴｉＢ2 薄膜厚さ：２００nm
基板とし、以下の２つの条件で表面処理を行なった。 (1) 表面処理１［従来技術］ Ｂ+ イオン注入処理 エネルギー：４０KeV イオンビーム電流密度：0.8A/m2 注入量：５×１０22ions/m2 (2) 表面処理２［本発明技術］ ＴｉＢ2 ターゲットを用いたＡｒスパッタによって、基
板表面にＴｉＢ2薄膜を形成した後、Ｂ+ イオン注入処
理 Ｂ+ イオン注入条件は上記表面処理１と同様 ＴｉＢ2 薄膜厚さ：２００nm
【００１０】上記した２つの表面処理を施した試験片に
ついてＡＥＳ分析を行い、深さ方向の組成分布を調べる
と共に、マイクロビッカース硬度計により改質層表面の
硬度を負荷荷重１０kgf で測定した。図２は表面処理１
を施した試験片のＡＥＳプロファイルである。Ｂ原子注
入層は試験片の基板中に0.6μｍ程度の厚さまでしか形
成されていない。この改質層により試験片の表面硬度は
１２０Hvから１９０Hvへと若干上昇した。しかしながら
Ｂ層単層の密着性が悪く結合状態が悪いので耐摩耗性改
質層としては十分な特性を有するものではない。
ついてＡＥＳ分析を行い、深さ方向の組成分布を調べる
と共に、マイクロビッカース硬度計により改質層表面の
硬度を負荷荷重１０kgf で測定した。図２は表面処理１
を施した試験片のＡＥＳプロファイルである。Ｂ原子注
入層は試験片の基板中に0.6μｍ程度の厚さまでしか形
成されていない。この改質層により試験片の表面硬度は
１２０Hvから１９０Hvへと若干上昇した。しかしながら
Ｂ層単層の密着性が悪く結合状態が悪いので耐摩耗性改
質層としては十分な特性を有するものではない。
【００１１】図１は本発明に係る表面処理２を施した試
験片のＡＥＳプロファイルである。表面処理１の場合と
異なり、基板内部にＢ原子が深く浸透しており、基板表
面に予め形成したＴｉＢ2 薄膜が基板内へＢ原子を放出
したことをしめしている。この改質層により該試験片の
表面硬度は１２０Hvから１３００Hvと著しく向上し、耐
摩耗性改質層としても十分な特性を得ることができた。
これは基板中に硬度が１５００Hvと高いＦｅ2 Ｂ層が形
成されたためと考えられる。
験片のＡＥＳプロファイルである。表面処理１の場合と
異なり、基板内部にＢ原子が深く浸透しており、基板表
面に予め形成したＴｉＢ2 薄膜が基板内へＢ原子を放出
したことをしめしている。この改質層により該試験片の
表面硬度は１２０Hvから１３００Hvと著しく向上し、耐
摩耗性改質層としても十分な特性を得ることができた。
これは基板中に硬度が１５００Hvと高いＦｅ2 Ｂ層が形
成されたためと考えられる。
【００１２】次に、上記した２つの表面処理を施した試
験片について、アルミナ球圧子により荷重300gf で往復
摺動を行なったときの摩擦係数の変化を調査した。その
結果を図３に示す。尚図３には比較の為に、前記基板を
用いて往復摺動試験を行なったときの結果についても示
した。表面処理１を施した試験片では、往復摺動回数25
回程度で摩耗によって摩擦係数が0.30を超えてしまうの
がわかる。これに対して表面処理２を施した試験片で
は、90回以上往復摺動しても摩擦係数は0.25前後であ
り、鋼（基板）の耐摩耗寿命は20倍以上改善されてい
た。
験片について、アルミナ球圧子により荷重300gf で往復
摺動を行なったときの摩擦係数の変化を調査した。その
結果を図３に示す。尚図３には比較の為に、前記基板を
用いて往復摺動試験を行なったときの結果についても示
した。表面処理１を施した試験片では、往復摺動回数25
回程度で摩耗によって摩擦係数が0.30を超えてしまうの
がわかる。これに対して表面処理２を施した試験片で
は、90回以上往復摺動しても摩擦係数は0.25前後であ
り、鋼（基板）の耐摩耗寿命は20倍以上改善されてい
た。
【００１３】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、金
属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上させる表面改質層が形
成できた。
属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上させる表面改質層が形
成できた。
【図１】本発明に係る表面処理を施した試験片のＡＥＳ
プロファイルを示すグラフである。
プロファイルを示すグラフである。
【図２】従来の表面処理を施した試験片のＡＥＳプロフ
ァイルを示すグラフである。
ァイルを示すグラフである。
【図３】往復摺動試験における往復摺動回数と摩擦係数
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58
Claims (1)
- 【請求項１】 イオン注入処理を施すことによって金属
材料表面に耐摩耗性の優れた表面改質層を形成する方法
であって、前記金属材料表面にスパッタ法によりＴｉＢ
2 薄膜を予め形成しておき、その後Ｂ+ イオン注入を行
うこよによって、前記ＴｉＢ2 薄膜における前記金属材
料へのＢ放出効果を利用してＴｉＢ2薄膜中のＢを金属
材料表面へ拡散浸透させる様にしたことを特徴とする耐
摩耗性の優れた表面改質層の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290531A JP3060657B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290531A JP3060657B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0598438A JPH0598438A (ja) | 1993-04-20 |
| JP3060657B2 true JP3060657B2 (ja) | 2000-07-10 |
Family
ID=17757236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3290531A Expired - Fee Related JP3060657B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3060657B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7330459B2 (ja) * | 2019-07-04 | 2023-08-22 | 学校法人 関西大学 | 機械部品 |
-
1991
- 1991-10-08 JP JP3290531A patent/JP3060657B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0598438A (ja) | 1993-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Follstaedt et al. | Effects of ion‐implanted C on the microstructure and surface mechanical properties of Fe alloys implanted with Ti | |
| JP3060657B2 (ja) | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 | |
| Bull et al. | Improving the mechanical properties of steels using low energy, high temperature nitrogen ion implantation | |
| JP3060658B2 (ja) | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 | |
| JPH0533130A (ja) | 表面改質層の作製法 | |
| Jagielski et al. | Effects of high dose nitrogen implantation into aluminum | |
| Manory et al. | Post-deposition treatments of hard coatings Part II: Ion beam treatments of TiN and related coatings | |
| Xin et al. | Structural properties of carbon nitride films prepared by high dose nitrogen implantation into carbon thin films | |
| JPH064909B2 (ja) | 金 型 | |
| Ektessabi et al. | Simulation of ion beam assisted deposition—a comparison with experimental results | |
| Kehler et al. | Tribological behavior of high-density polyethylene in dry sliding contact with ion-implanted CoCrMo | |
| Bolster et al. | Tribological behaviour of TiN Films deposited by high energy ion-beam-assisted deposition | |
| Fatkin et al. | Characterisation of nitrides prepared by ion beam enhanced deposition of aluminium, silicon and titanium | |
| Miyagawa et al. | Retention of nitrogen implanted into metals | |
| Miyagawa et al. | Depth profile of nitrogen concentration and nano-hardness in nitrogen implanted Zr at RT and at 600° C | |
| Hirvonen et al. | Modification of interfacial characteristics between diamondlike carbon films and substrates by using ion bombardment | |
| JPH0827564A (ja) | 表面硬化処理方法および表面硬化部材 | |
| JP2797717B2 (ja) | 潤滑性に優れた耐摩耗性ＴｉまたはＴｉ基合金部材 | |
| Kalyanaraman et al. | Character of defects at an ion-irradiated buried thin-film interface | |
| Hirano et al. | Effect of high energy ion bombardment on the tribological properties of WS2 sputtered films | |
| Jagielski et al. | Friction properties of ion implanted Al2O3 ceramic | |
| Morita et al. | The desorption, recoil-implantation, and collisional mixing of monolayer impurities on metal surfaces | |
| Kheyrandish et al. | Dynamic Recoil Mixing for the Production of Silicon Nitride Films | |
| JPH0587592B2 (ja) | ||
| JPH0280557A (ja) | Ｚｎ−Ａｌ系超塑性合金製金型の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000328 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |